JPH08369B2 - 歩行脚運動軌跡制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は歩行機械の歩行脚運動制御装置に係り、さら
に詳しくは歩行機械を安定に歩行させるに好適な歩行脚
運動軌跡制御装置に関する。

〔従来の技術〕

近年、建屋内で行われている保守点検作業を、人間に
代つて行う移動ロボットのニーズが高まつている。この
ような要求に応えるロボットは今まで人間が作業してき
た環境内を自由にかつ高速に移動して作業場所へ行き、
効率良く作業を進めるための機能を必要とするが、建屋
内の障害物のまたぎ越しやくぐりぬけ移動などの機能も
必要である。これらの要求に応えるために、歩行脚によ
つて移動する歩行機械が種々提案されている。この種の
歩行機械としては、例えば、特開昭59−110575号公報お
よび特開昭61−134805号公報等に示されるように多数の
歩行脚によつて歩行を実現するものがある。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記の多数の歩行脚が備える歩行機械では、歩行移動
のために、例えば一対の歩行脚を交互に移動させてい
る。そして、歩行のための歩行脚は歩行脚の足部が床面
に着地している立脚状態の区間と、歩行脚を歩行のため
に振り出している遊脚の状態の区間とを備えているが、
立脚状態から遊脚状態または遊脚状態から立脚状態に切
り換る時、歩行脚の足部の進行方向への速度および垂直
方向への速度がステツプ状に変化し不連続となつてい
る。このステツプ状の急激な速度変化は歩行機械への衝
撃力として作用し、例えば歩行機械の胴体は揺れを生
じ、安定に走行することができないという問題点があつ
た。

本発明は上述した事柄にもとづいてなされたもので、
立脚状態から遊脚状態に、または遊脚状態から立脚状態
に切り換る時に生じる衝撃力を低減することができる歩
行脚運動軌跡制御装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の上記の目的は、脚駆動制御部によつて歩行脚
の関節部を制御し、この歩行脚によつて歩行する歩行機
械において、前記歩行脚の立脚時と遊脚時との切り換え
時の足部の速度が連続する足部の運動軌跡を生成する足
部の運動軌跡生成部と、前記足部の運動軌跡生成部から
の足部の運動軌跡を目標関節角に演算し、これを前記脚
駆動制御部に出力する目標関節角演算部とを備えること
により達成される。

〔作用〕

歩行脚は足部の運動軌跡生成部によつて生成される歩
行脚の立脚時と遊脚時との切り換え時の足部の連続する
速度にもとづいて、関節部が駆動制御される。このた
め、歩行脚はその足部と床面との間に速度差を生じるこ
とがなく、着地時および離脱時の衝撃力を小さく抑える
ことができる。その結果、歩行機械は安定に歩行するこ
とができる。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の歩行脚運動軌跡制御装置の一実施例
を備え歩行機械の一例を示すもので、この図において、
１は歩行機械で、この歩行機械１は胴部２とこの胴部２
に設けられた４脚の歩行脚（図示の例では片側の２脚の
歩行脚3,4）とを備えている。これらの歩行脚3,4は胴部
２に設けた第１の関節部3A,4Aと、この第１の関節部3A,
4Aに連結した第１の脚部3B,4Bと、この第１の脚部3B,4B
の他端に設けた第２の関節部3C,4Cと、この第２の関節
部3C,4Cに連結した第２の脚部3D,4Dと、この第２の脚部
3D,4Dの他端に連結した第３の関節部3E,4Eと、この第３
の関節部3E,4Eに連結した足部3F,4Fとで構成されてい
る。この歩行脚3,4にはこれを駆動するための脚駆動制
御部５が接続されている。この脚駆動制御部５は第１の
関節部3A,4Aおよび第２の関節部3C,4Cにそれぞれ連結し
たアクチユエータ50A〜50Dと、第１の関節部3A,4Aおよ
び第２の関節部3C,4Cの関節角を検出する関節角検出セ
ンサ51A〜51Dと、運動軌跡生成部６からの目標関節角θ
₁,θ₂,θ₃,θ_４と関節角検出センサ51A〜51Dからの実際
の関節角θ_s1,θ_s2,θ_s3,θ_s4とのそれぞれの偏差を演
算し、この偏差をそれぞれアクチユエータ50A〜50Dに出
力する比較部52A〜52Dとで構成されている。

前述した運動軌跡生成部６は、胴部２は運動軌跡生成部
60と、床面と接する足部3F,4Fの運動軌跡生成部70と、
歩幅や足部立上げ高さ等を指定する歩行パターンパラメ
ータ発生部80と、前述の足部の運動軌跡生成部70と胴部
の運動軌跡生成部60とからのデータと、歩行脚の長さ等
のデータベース90からのデータにもとづいて歩行脚3,4
の第１の関節部3A,4Aおよび第２の関節部3C,4Cの目標関
節角を演算する目標関節角演算部100と、この関節角演
算部100からの目標関節角を格納する記憶部110と、目標
関節角の出力時間間隔を調整する歩行周期発生部120と
で構成されている。

前述した足部の運動軌跡生成部70は、歩行脚の立脚状
態と遊脚状態との切り換え期の歩行脚の運動を制御する
ものであり、第２図に示すように、立脚時の足部の位置
を発生する立脚時足部位置発生部71と、遊脚時の足部の
位置を発生する遊脚時足部位置発生部700とで構成され
ている。この遊脚時足部位置発生部700は、遊脚時の足
部運動，水平および垂直方向加速度を時間の関数で決定
する遊脚時の足部運動，水平および垂直方向加速度決定
部701と、立脚状態と遊脚状態との切り換え時における
足部の水平および垂直方向の加速度の値を前述の遊脚時
の足部運動，水平および垂直方向加速度決定部701に入
力設定する加速度条件設定部702と、遊脚時の足踏運
動，水平および垂直方向加速度決定部701からの各加速
度を時間で積分し速度を求める加速度積分部703と、遊
脚時の足部運動，水平および垂直方向速度を時間の関数
で決定する遊脚時の足部運動，水平および垂直方向速度
決定部704と、立脚状態と遊脚状態との切り換え時にお
ける足部の水平および垂直方向の速度の値を前述の遊脚
時の足部運動，水平および垂直方向の速度決定部704に
入力設定する速度条件設定部705と、遊脚時の足部運
動，水平および垂直方向速度決定部704からの各速度を
積分し位置を求める速度積分部706と、遊脚時の足部運
動，水平および垂直方向位置を時間の関数で決定する遊
脚時の足部運動，水平および垂直方向位置決定部707
と、立脚状態と遊脚状態との切り換え時における足部の
水平および垂直方向の位置を前述の遊脚時の足部運動，
水平および垂直方向位置決定部707に入力設定する位置
条件設定部708とで構成されている。

次に上述した本発明の一実施例の動作を説明する。

第３図は１つの歩行脚3,4の移動形態を示すもので、
歩行脚3,4は足部3F,4Fが接地している立脚状態の期間W1
と、足部3F,4Fが地面Ｆから離れた状態の遊脚状態の期
間W2とで構成されている。この図において、歩幅は符号
Ｈで、足部3F,4Fの足上げ高さは符号Ｇで示し、この歩
幅Ｈ足上げ高さＧをパラメータとして遊脚時の運動を自
由に設定することができる。

次に、遊脚状態における足部の運動軌跡を決定する方
法を説明する。

第４図は遊脚状態における足部の水平方向の加速度変
化を示すもので、この加速度変化は遊脚時の足部運動，
水平および垂直方向加速度決定部701で決定される。す
なわち、第３図における胴部３の水平運動を停止した胴
部固定の座標系で足部3F,4Fの運動を記述しており、こ
の場合の足部の水平方向加速度a_xは において、 で表わされる。ここでA_mは係数、ｔは時刻、Ｔは１歩の
周期である。

次に、加速度条件設定部702は歩行脚3,4が立脚状態か
ら遊脚状態に移るとき、第４図に示すｔ＝０（足部が床
面を離脱する時すなわち遊脚時）における足部3F,4Fの
水平方向加速度a_xを零に設定して、立脚時の加速度と連
続的に接続するように構成する。また遊脚状態から立脚
状態に移るとき、 （足部が着地する時）における足部3F,4Fの水平方向加
速度a_xを前述と同様に零に設定する。そして、その間を
サイン曲線で結ぶ加速度変化に設定してある。

次に、加速度積分部203は（１）式を積分して、第５
図に示す足部の水平方向速度v_xを求める。この水平速度
v_xは で表わされる。ここでＣは係数である。このとき、速度
条件設定部705は立脚と遊脚での境界条件を満たすよう
に、水平方向速度v_xがｔ＝０で−v_Bから始まり、 で終了するように定める。このとき、速度v_Bは胴部２の
進行速度に相当する。上述の速度条件設定部705による
速度の設定により、遊脚時の足先運動，水平および垂直
方向速度決定部704は、次の式にもとづき演算を行う。
すなわち、ｔ＝０で上記（２）式より となるので、 となる。よつて、水平方向速度v_xは となり、上記（５）式は のときの条件v_x＝−v_Bも満足する。この遊脚期間中の足
部の水平方向速度の変化を大地座標系で示したのが第５
図である。

次に上記（５）式は速度積分部706において、水平方
向位置ｘに変換する。この水平方向位置ｘは次の（６）
式で表わされる。

次に遊脚時の足部運動，水平および垂直方向位置決定
部707は、位置条件設定部708からの条件、すなわちｔ＝
０でｘ＝0, でｘ＝2S、ただしＳは歩幅Ｈの1/4と前記（６）式とに
もとづいて、次の演算を行う。すなわち、 ｔ＝０でｘ＝０＝Ｃ …（７） よつて Ｃ＝０ …（８） となり、速度v_Bは となるので、（10）式を（９）式に代入し、A_mを求める
と、 となる。このA_mを（６）式に代入することにより、水平
方向位置ｘは となる。参考までに（11）式を（５）式および（６）式
に代入することにより、加速度a_xおよび速度v_xはそれぞ
れ（13）式および（14）式のように表わされる。

次に遊脚期間における足部の垂直方向の運動について
説明する。

遊脚状態における足部3F,4Fの垂直方向の加速度変化
を第６図に示す。この加速度の変化特性は遊脚時の足部
運動，水平および垂直方向加速度決定部701で決定され
る。そして、第３図に示す胴部２の水平運動を停止した
胴部の座標系において、足部の運動を記述した場合、足
部の垂直方向加速度a_yは、 ど表わされる。ここでB_mは係数である。

次に、加速度条件制定部702は遊脚時の足部運動，水
平および垂直方向加速度決定部701に対し、足部の床面
離脱時（ｔ＝０）と着地時 との加速度の境界条件を満すように、加速度を零に設定
すると共に、遊脚期間の中間 で足部の足上げ高さＧが最大のときにも、その垂直方向
加速度が零になるように設定する。さらにこの遊脚期間
はサイン曲線で結んだ特性となつている。そして、ｔ＝
０から までの足部の運動と、 までの運動は初期位置と進む方向が逆の運動として把え
ることができるので、ここではｔ＝０から までについて述べる。

加速度積分部703は前記（15）式を積分して、垂直方
向速度v_yを求める。この垂直方向速度v_yは となる。

次に遊脚時の足部運動，水平および垂直方向速度決定部
704は速度条件設定部705からの速度条件、すなわち足部
3F,4Fの床面離脱時（ｔ＝０）と着地時 とその中間点 とで立脚運動との境界条件を満足するように速度を零に
する条件により、次の演算を行う。すなわち、 ｔ＝０で よつて垂直方向速度v_yは（16）式と（17）式とにより となる。この（18）式は でv_y＝０を満足している。このときの垂直方向速度の変
化を第７図に示す。

次に速度積分部706は垂直方向位置ｙを次の（19）式
により求める。

その次に遊脚時の足部運動，水平および垂直方向位置
決定部707は、位置条件設定部708からの位置条件、すな
わち、ｔ＝０で０＝C, でｙ＝Ｇ、ただし足上げ高さＧは歩行パターンパラメー
タ80から として与えられる条件により、垂直方向位置は次の式に
より決定する。

参考まで、垂直方向加速度a_yおよび垂直方向速度v_yは
それぞれ（18）式および（19）式にもとづき、次の式よ
り求められる。

また までも同様にして、その垂直方向位置ｙは次の式により
求められる。

上述により得られる遊脚期間における足部3F,4Fの時
間に対する水平方向Ｘおよび垂直方向Ｙの位置変化をそ
れぞれ第８図および第９図に示す。これらの図に示され
る位置変化曲線はＸ軸を時間Ｔの変化としＹ軸を水平方
向および垂直方向の位置変化とした場合に、サイクロイ
ド曲線となつている。

そして、このように決定された遊脚期間における足部
の水平方向と垂直方向との運動を大地座標系の軌跡に置
換えると、第10図に示すようになり、また胴部の位置を
固定した胴部固定座標系の軌跡に置換えると、第11図に
示すようになる。この第11図に示す軌跡は歩行脚3,4の
各関節部を駆動して得られる足部3F,4Fの軌跡である。

次に、遊脚時の足部運動，水平および垂直方向位置決
定部707で得られた足部の運動は、目標関節角演算部100
に加えられる。これにより、目標関節角演算部100はさ
らに立脚時足部位置発生部71からの立脚時の足先位置と
胴部の運動軌跡生成部60からの例えば胴部の等速直線運
動と、データベース90からの歩行脚3,4の寸法、各関節
の位置とにより、各関節部の目標関節角を求める。この
目標関節角は目標関節角記憶部110に記憶され、歩行周
期発生部120からの歩行周期により脚駆動制御部５に出
力される。これにもとづき、脚駆動制御部５は走行脚3,
4の各関節部を駆動し、歩行脚3,4を歩行動させる。

上述のように、足部3F,4Fの遊脚時の加速度と速度
を、立脚時との境界条件を満足するように決定すること
で、足部3F,4Fの着地時および地面からの離脱時に、床
面と足部3F,4Fとの相対運動が無く、床面との衝突によ
る水平および垂直方向の反力の発生を抑えることができ
る。また、足部3F,4Fの加速度の変化を滑らかにするこ
とができるので、足部3F,4Fの振動が抑えられると共
に、各関節部の回転角加速度の変化も滑らかになるた
め、目標軌跡への追従性が良く、各関節部のトルク変化
も滑らかになる。このことはアクチユエータのトルク性
能，加速性能の面から高性能なものを必要とせず、アク
チユエータの重量を軽減し、歩行機械の軽量化にも効果
がある。さらに、着地時および床面からの離脱時に床面
からの反力を小さくすることができることは、歩行機械
への負荷が小さくなるため、歩行機械の軽量化，長寿命
化を図ることができる。さらに着地時および地面からの
離脱時に加わる床反力は、歩行機械の歩行時の姿勢の安
定性に対して外乱として働くため、これを小さくできる
ことは歩行機械を安定に歩行させることができる。ま
た、歩行機械が歩行時安定性を失つたとき、足部の着地
および床面離脱点近くの速度は小さくなつているため、
床面と足部との衝突による衝撃が小さく、その後、胴部
を安定状態に復帰させることができる。

上述の実施例は立脚時における足部の水平および垂直
方向の位置速度，加速度を、遊脚時のそれと合致させる
ようにしたものであるが、足部の軌跡から足部の運動を
決める方策がある。この方策の１つとしては足部の軌跡
を楕円の円周の一部に沿つて移動させるものである。こ
の実施例においては、前述した第２図に示す実施例にお
ける足部の運動軌跡生成部70の構成を、第12図に示すよ
うにすることによつて可能である。この第12図におい
て、第12図と同符号のものは同一部分である。遊脚時足
部位置発生部700は、遊脚時の足部の運動を設定する遊
脚時の足部運動，水平および垂直方向位置設定部710
と、立脚状態と遊脚状態との切り換え時における足部の
水平および垂直方向の位置の値を、前述の遊脚時の足部
運動，水平および垂直方向位置決定部710に入力設定す
る位置条件設定部711と、遊脚時の足部運動，水平およ
び垂直方向位置決定部710からの各位置を時間で微分し
速度を求める位置微分部712と、遊脚時の足部運動，水
平および垂直方向速度を時間の関数で決定する遊脚時の
足部運動，水平および垂直方向速度決定部713と、立脚
状態と遊脚状態との切り換え時における足部の水平およ
び垂直の速度の値を、前記遊脚時の足部運動，水平およ
び垂直方向速度決定部713に入力設定する速度設定部714
と、遊脚時の足部の水平および垂直方向位置を求める遊
脚時の足部水平および垂直方向位置決定部715とで構成
されている。この遊脚時の足部水平および垂直方向位置
決定部715には走行パターンパラメータ発生部80が接続
されている。

次に上述した実施例の動作を説明する。

この実施例における足部3F,4Fの移動軌跡は楕円の一
部を構成しており、その一例を第13図に示す。胴部２の
運動は前述の実施例と同様に床面と平行な等速運動とす
る。１歩の歩行周期をＴ秒とし、立脚時および遊脚時は
50％ずつとする。そして、第13図に示す楕円を媒介変数
の式で表示すると、 ｘ＝Lcos …（25） ｙ＝Rcos …（26） となる。ここでＬは楕円の長径を、Ｒは短径を示す。そ
して、遊脚中のの変化を一定として、第13図に示すよ
うに座標軸を設定し、時刻ｔ＝０で点101から足部の床
面離脱動作が始まり、時刻 で点103で着地動作をする場合の足部の運動を次式に示
す。

上記（27式）および（28）式の演算は遊脚時の足部運
動，水平および垂直方向位置決定部710で行われる。

次に足部の速度は位置微分部712において上記（27）
式、（28）式の微分が行われる。その微分結果は次の式
のようになり、遊脚時の足部運動，水平および垂直方向
速度決定部712に設定される。

ここで Ｌ＝S₁/cosθ …（32） Ｒ＝G/（sinθ＋１） …（33） である。S₁は胴部２を固定した時の足部の歩幅Ｈの1/2
であり、大地座標系で足部を記述したときは、歩幅上Ｈ
の1/4になる。Ｇは足上げ高さである。

ここで、θは楕円の弧上の点103を決める定数である。

次に、遊脚時の足部運動，水平および垂直方向速度決
定部713は、速度条件設定部714からの設定条件すなわち
ｔ＝０と でv_x＝−v_Bとする条件により、θの値が次式を満たすよ
うに速度を演算する。

次に、遊脚時の足部水平および垂直方向位置決定部71
5は、前述した（27）式，（28）式にもとづいて足部の
位置を演算する。この演算結果は前述した実施例と同様
な動作により、脚駆動制御部５に加えられ、歩行脚3,4
は歩行動する。

そして、大地座標系に対する足部の軌跡を第14図に示
す。足部の水平方向位置の時間に対する変化を第15図
に、足部の垂直方向位置の時間に対する変化を第16図
に、足部の水平方向速度の時間に対する変化を第17図に
示す。この第17図から分かるように、足部3F,4Fが床面
離脱時と着地時に水平方向の速度が零となり、立脚運動
と接続している。

この実施例では、足部3F,4Fが床面と接する瞬間に水
平方向の床に対する相対速度が零となるため、床面接触
による衝撃力を抑えることができる。また、第14図に示
すように床面に対する足部3F,4Fの進入角をより大きく
構成しているため、胴部２が傾いて着地の時刻が遅れて
も水平方向の位置ずれが少なく、足部の引きずりや、立
脚中にある他の足部との間に水平方向の内力の発生の量
を小さく抑えることができる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、遊脚と立脚との
切り換え時に、足部の加速度成分および速度成分が連続
となるように構成したので、足部の着地時または離脱
時、これらの間での衝撃力を小さく抑えることができ
る。その結果、歩行機械を安定に歩行させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置の一実施例を備えた歩行機械の全
体構成図、第２図は本発明の装置を構成する足部の運動
軌跡生成部の一例の構成を示す図、第３図は歩行機械に
おける１つの歩行脚の歩行形態を示す図、第４図は第１
図に示す実施例における歩行脚の足部の水平方向加速度
変化を示す図、第５図は足部の水平方向速度変化を示す
図、第６図は足部の垂直方向加速度変化を示す図、第７
図は足部の垂直方向速度変化を示す図、第８図は足部の
水平方向位置変化を示す図、第９図は足部の垂直方向位
置変化を示す図、第10図は大地座標系における足部の移
動軌跡図、第11図は胴部固定座標系における足部の移動
軌跡図、第12図は本発明の装置を構成する足部の運動軌
跡生成部の他の例の構成を示す図、第13図は第12図に示
す実施例の胴部固定座標系における足部の移動軌跡図、
第14図は大地座標系における足部の移動軌跡図、第15図
は足部の水平方向位置変化を示す図、第16図は足部の垂
直方向位置変化を示す図、第17図は足部の水平方向速度
変化を示す図である。 １……歩行機械、２……胴部、3,4……歩行脚、５……
脚駆動制御部、６……運動軌跡生成部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 細田 祐司 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 菅 和俊 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 服部 誠 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 中野 裕 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 審査官 島田 信一 (56)参考文献 特開 昭62−97006（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】脚駆動制御部によって歩行脚の間接部を制
   御し、この歩行脚によって歩行する歩行機械において、
   歩幅や足部立上げ高さ等を指定する歩行パターンパラメ
   ータ発生部と、立脚状態と遊脚状態との切り換え時にお
   ける足部の水平および垂直方向の加速度を設定する加速
   度条件設定部と、前記歩行パターンパラメータ発生部か
   らのデータと前記加速度条件設定部からの加速度とによ
   り、遊脚時の足部運動，水平および垂直方向加速度を時
   間の関数で決定する遊脚時の足部運動，水平および垂直
   方向加速度決定部と、前記加速度決定部からの各加速度
   から速度を求める加速度積分器と、立脚状態と遊脚状態
   との切り換え時における足部の水平および垂直方向の速
   度を設定する速度条件設定部と、前記速度条件設定部か
   らの速度と前記加速度積分器からの速度とにより、遊脚
   時の足部運動，水平および垂直方向速度を時間の関数で
   決定する遊脚時の足部運動、水平および垂直方向速度決
   定部と、この速度決定部からの各速度から位置を求める
   速度積分器と、立脚状態と遊脚状態との切り換え時にお
   ける足踏の水平および垂直方向の位置を設定する位置条
   件設定部と、前記速度積分器からの位置と前記位置条件
   設定部からの位置とにより、遊脚時の足部運動，水平お
   よび垂直方向位置を時間の関数で決定する遊脚時の足部
   運動，水平および垂直方向位置決定部と、この位置決定
   部からの位置にもとづいて目標関節角を演算し、関節部
   に出力する目標関節角演算部とを備えたことを特徴とす
   る歩行脚運動軌跡制御装置。